Размещено на http://www.allbest.ru/

Томск - 2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Нейтронно-физический расчёт стационарного реактора на тепловых нейтронах

по дисциплине "Физическая теория ядерных реакторов"



Задание

Тип реактора: УГР

Основные исходные данные:

· Тепловая мощность: 1500 МВт

· Ядерное горючее: UC

· Обогащение урана по изотопу U²³⁵: 1,6%

· Теплоноситель: эвтектика NaK (Na-22,8%, K-77,2%)

· Температура на входе: 270 °С

· Температура на выходе: 510 °С

· Материалы оболочек ТВЭЛов, кассет: Сталь 1Х18Н9Т



Содержание

1. Предварительный тепловой расчет

• 1.1 Выбор рабочих параметров
• 1.2 Предварительный расчет
• 2. Физический расчет реактора
• 2.1 Ядерно-физические характеристики "холодного" реактора
• 2.1.1 Расчет концентрации топлива
• 2.1.2 Расчет концентрации оболочки
• 2.1.3 Расчет концентрации теплоносителя
• 2.1.4 Расчет концентрации замедлителя
• 2.2 Расчет коэффициента размножения для бесконечной среды в "холодном" реакторе
• 2.3 Расчет эффективного коэффициента размножения в "холодном" реакторе
• Список используемых источников
• Приложение
• ядерный холодный реактор топливо

• Введение

Основная задача нейтронно-физического расчета реактора состоит в физическом обосновании конструкции и определении совокупности физических параметров реактора, удовлетворяющего поставленным требованиям.

Выбрав и обосновав конструктивную схему реактора, необходимо далее провести оценочный тепловой расчет, в результате которого определяются размеры активной зоны.

Основной задачей курсовой работы является проведение теплового расчета, определение размеров ТВС, расчет характеристик "холодного" реактора и нахождение .

Второстепенной задачей является ознакомление с физическим расчетом ядерного реактора и закрепление знаний, полученных на специальных дисциплинах.



1. Предварительный тепловой расчет

1.1 Выбор рабочих параметров

Внутренний диаметр ТВЭЛа ……………...…………...…….........…1,2 см

Толщина оболочки ТВЭЛ..……………………………….........……0,03 см

Число ТВЭЛов в кассете………………………………….………...……...7

Размер ячейки под "ключ" …………………………………...……....25 см

Диаметр рабочего канала:............................................................D_р.к= 10 см

1.2 Предварительный расчет

Для проведения расчета были приняты следующие величины:

Заданная тепловая мощность……………………………... .N = 1500 МВт

Среднеинтегральное значение мощности………..……….....= 15 кВт/л

Коэффициент увеличения активной зоны…………………..…….. з = 1,3

Отношение высоты к диаметру………………………………..… = 1,1

Объемный коэффициент неравномерности…………………..…… = 3

Осевой коэффициент неравномерности………………………..... = 1,2

Объем активной зоны:

Диаметр активной зоны:



Высота активной зоны:

Максимальная удельная объемная нагрузка активной зоны:

Максимально допустимая тепловая нагрузка:

Площадь ячейки:

Периметр тепловыделяющей поверхности одного твэла:

Тогда максимальная допустимая тепловая нагрузка:

Необходимая скорость прокачки теплоносителя:



Правомерно взять среднее значение теплоёмкости для эвтектики :

Тогда:

Удельный вес :

Необходимая скорость прокачки теплоносителя:

Таким образом, полученная скорость прокачки теплоносителя удовлетворяет установленным требованиям безопасности ( < 10 м/с - для ж/м теплоносителя).



2. Физический расчет реактора

2.1 Ядерно-физические характеристики "холодного" реактора

2.1.1 Расчет концентрации топлива

Топливо в заданном ядерном реакторе - карбид урана (UС).

2.1.2 Расчет концентрации оболочки

Материал оболочки твэл - хромоникелевая сталь 1X18H9T. Состав данной стали следующий: железо (0,707), хром (0,18), никель (0,09), титан (0,008), марганец (0,015).



2.1.3 Расчет концентрации теплоносителя

Теплоносителем в данном ядерном реакторе является гелий эвтектика (Na-22,8%, К-77,2%):

2.1.4 Расчет концентрации замедлителя

Замедлителем в реакторе является графит. Его концентрация:

2.1.5 Расчет микро- и макросечений для "холодного" реактора

Расчет микро- и макросечений

Для удобства расчетов в теории реакторов принято, что тепловые нейтроны распределены по спектру Максвелла, но имеют более высокую эффективную температуру (температура нейтронного газа - Т_НГ), которая превышает температуру замедлителя.

Положим значение нейтронного газа равным 400 К, тогда f_a = 0.96, f_f= 0.96 - поправки для U²³⁵ на отклонение от закона 1/v².

Микро- и макросечения для графита:

Микро- и макросечения для Na:

Микро- и макросечения для K:

Микро- и макросечения для эвтектики (Na-22,8%, К-77,2%):

Микро- и макросечения для U²³⁵:

Микро- и макросечения для U²³⁸:

Микро- и макросечения для углерода находящегося в составе ядерного горючего:

Микро- и макросечения для UC:

Микро- и макросечения для железа (Fe):

Микро- и макросечения для хрома (Cr)

Микро- и макросечения для никеля (Ni):

Микро- и макросечения для титана (Ti):

Микро- и макросечения для марганца (Mn):

Микро- и макросечения для cтали:

В приложении Б приведена таблица с исходными данными для физического расчёта.

2.2 Расчет коэффициента размножения для бесконечной среды в "холодном" реакторе

Расчет

Топливо применяется в виде сплава и выражение для имеет вид:

Расчет е

Величина е в гетерогенном реакторе зависит от формы, размеров и расположения топливного блока, а также от диффузионных свойств топлива.

При расчете величины е для стержневых и трубчатых ТВЭЛ можно воспользоваться формулой:

где - вероятность того, что быстрый нейтрон испытывает какое-либо столкновение с ядром ;

е₁ - пористость блока по U²³⁸.



где N₈ - число ядер U²³⁸ в 1 см³ естественного урана;

N₀₈ - число ядер U²³⁸ в 1 см³ блока.

Величина P, если учесть, что таблетка не имеет внутреннего отверстия, равна 0,1.

Тогда получаем

Расчет и

Если все рабочие каналы содержат сборки твэл, то можно использовать метод гомогенизации, при котором все материалы рабочего канала считают равномерно перемешанными.

Реальная ячейка заменяется эквивалентной ячейкой с одним фиктивным цилиндрическим блоком. Фиктивный блок образуется путем гомогенизации всего содержимого рабочего канала (ядерное горючее, конструкционные материалы, теплоноситель).

Расчет и в этом случае ведут в два этапа. Сначала определяют величину - отношение числа тепловых нейтронов, поглощенных в фиктивном блоке, к общему числу поглощенных тепловых нейтронов:

где F - коэффициент экранирования, который с хорошим приближением определяется:



Произведем расчет фиктивного блока:

Посчитаем по известной формуле:



Фактор, учитывающий избыточное поглощение нейтронов в замедлителе

Тогда

Отсюда

Теперь определим величину

Окончательно имеем:

Расчет ц

В энергетических реакторах, как правило, применяются сборки ТВЭЛов, которые состоят из нескольких блоков ядерного горючего.

Для ячейки со стержневыми блоками:



Найдем K_т:

При получим

Ранее была определена пористость блока

Подставим все полученные данные в исходную формулу:

Окончательно получим:

2.3 Расчет эффективного коэффициента размножения в "холодном" реакторе

Эффективный коэффициент размножения реактора вычисляется по следующей формуле:



Где - длина диффузии, которая с учетом гетерогенности определяется по формуле:

Найдем - возраст нейтронов, который равен:

Величина в чистом замедлителе, то есть в чистом реакторном графите, равна . Тогда:

Далее найдем величину - геометрический параметр, посчитав несколько сопутствующих величин.

Длина миграции в отражателе, в УГР это графит:

Толщина отражателя:

Эффективная добавка за счет отражателя для УГР:



Геометрический параметр для цилиндрического ядерного реактора:

Эквивалентные размеры:

Зная все величины, найдем геометрический параметр:

Все величины найдены, поэтому эффективный коэффициент размножения равен:



Заключение

В результате проделанной работы для заданного типа реактора выбраны оптимальные параметры элементов конструкции реактора и материалов, входящих в состав активной зоны. На основании этого проведен предварительный тепловой расчет, позволивший определить геометрические размеры активной зоны. Вычислены значения и .

При проведении нейтронно-физического расчета критического состояния "холодного" ядерного реактора освоены основные моменты определения микро- и макросечений, ядерных концентраций, а также коэффициентов формулы четырех сомножителей.



Список используемых источников

1. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов: Учебное пособие для вузов / Г.Г. Бартоломей, Г.А. Бать, В.Д. Байбаков, М.С. Алтухов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

2. Колпаков Г.Н., Кошелев Ф.П., Шаманин И.В. Нейтронно-физический и теплогидравлический расчет реактора на тепловых нейтронах. Часть II. Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 1997.

3. Абагян Л.П., Базазянц Л.О., Бондаренко И.И. Групповые константы для расчета ядерных реакторов. - М.: Атомиздат, 1964.



Приложение А

Конструкция ячейки реактора.

Приложение Б

Исходные данные для физического расчёта .

Таблица 1 - Исходные данные для физического расчета

Материал	Ai	i	Ni			s	Микросечение, [барн]	Макросечение, [см-1]
				µs			a	f	s	tr	a	f	s	tr
UC	250	13,63	3,284*1022	-	0,007979	0,0296	498,129	422,718	28,69	526,54	0,327	0,222	0,45	0,77
U235	235	-	5,254*1020	0,00	0,0085	6,69*10-5	496,076	422,718	15	511,076	0,2606	0,222	0,00788	0,2685
U238	238	-	3,231*1022	0,00	0,0084	0,0024	2,05	-	8,99	11,04	0,066	-	0,29	0,3567
C12	12	-	3,284*1022	0,06	0,158	0,024	0,003	-	4,7	4,421	8,5*10-5	-	0,154	0,145
NaK	62	0,866	8,413*1021	-	0,0319	0,001157	1,963	-	5,1	6,93	0,0109	-	0,0189	0,029
Na	23	-	1,918*1021	0,03	0,0845	0,000502	0,397	-	3,1	3,404	0,00076	-	0,00594	0,00653
K	39	-	6,495*1021	0,02	0,0504	0,000655	1,566	-	2,0	3,526	0,01017	-	0,01299	0,022
Графит	12	1,75	8,784*1022	0,06	0,158	0,065	0,00303	-	4,7	4,421	0,000265	-	0,413	0,388
Сталь	-	7,95	-	-	-	0,031	22,08	-	39,1	60,794	0,197	-	0,889	1,0769
Fe	56	-	6,045*1022	0,01	0,035	0,024	1,914	-	11,4	13,2	0,116	-	0,689	0,798
Cr	52	-	1,657*1022	0,01	0,038	0,0026	2,345	-	4,2	6,503	0,039	-	0,07	0,108
Ni	59	-	7,304*1021	0,01	0,0355	0,0042	3,48	-	17	20,31	0,025	-	0,124	0,148
Ti	48	-	7,980*1020	0,01	0,041	0,000137	4,388	-	4,2	8,546	0,003502	-	0,00335	0,0068
Mn	55	-	1,306*1021	0,01	0,0359	0,00011	9,96	-	2,3	12,23	0,013	-	0,003	0,016

Размещено на Allbest.ru